文档介绍：分类号学号 M201070438
学校代码 10487 密级

硕士学位论文

盾构姿态测量中倾角仪和陀螺仪的组合
应用研究

学位申请人: 肖涛
学科专业: 机械电子工程
指导教师: 朱国力教授
答辩日期: 2013 年 1 月 18 日
A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master of Engineering

Research on Pose Measurement System of Shield
Using bination of Inclinometer and
Gyroscope

Candidate : Xiao Tao
Major : Mechanical Electronical Enginneering
Supervisor: Professor Zhu Guoli

Huazhong University of Science and Technology
Wuhan 430074, . China
January, 2013
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日期: 年月日

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日期: 年月日日期: 年月日
华中科技大学硕士学位论文
摘要
在隧道工程中,为了确保盾构机沿着设计隧道推进,需要对其位置和姿态进行
实时高精度测量。在盾构机姿态测量系统中,倾角仪常被用于直接测量俯仰角和滚
动角。然而在强振动环境下,倾角仪输出会出现较大误差,而陀螺仪在振动环境下
有较高的稳定性,本文利用光纤陀螺仪与倾角仪的融合进行姿态角度的测量。具体
研究工作和内容如下:
在分析了倾角仪和光纤陀螺仪测量角度的基本原理的基础上,研究了在振动环
境下陀螺仪和倾角仪的输出特性,实验表明倾角仪和陀螺仪有其各自的固有频率,
当振动频率为倾角仪的固有频率时,倾角仪有较大误差,而陀螺仪的输出几乎不受
影响,这表明陀螺仪和倾角仪工作时是具有一定互补性的。
为了研究光纤陀螺仪随机误差特性,对光纤陀螺仪进行了 Allan 方差分析,建立
了陀螺仪随机误差的模型,通过实验验证了温度和温度变化率对陀螺仪零漂有较大
的影响,利用多变量自回归模型进行了温度漂移建模,并对温度漂移进行了补偿。
提出了基于陀螺仪零漂估计的多传感器融合方法,利用稳定环境下倾角仪输出
具有较高的精度,通过卡尔曼融合可以对陀螺仪零漂进行较高精度的估计和预测,
通过仿真对该方法进行了验证,最后通过实验验证了陀螺仪在振动环境下零漂补偿
后具有很好的测量倾角的性能。实验数据表明,在静态时该方法能保证振动环境下
陀螺仪角度输出误差在 1 小时内不超过 1 毫弧度,动态时能保证振动环境下半小时
内陀螺仪角度输出误差在半小时内不超过 1 毫弧度,基本上满足盾构施工中的姿态
测量精度要求。

关键词:盾构机姿态测量倾角仪光纤陀螺仪多传感器融合
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
A hybrid measuring system of shield tunnel bined with inclinometer
and gyroscope is designed for the working environment influenced by vibration. The
inclinometer is used